如何实现stm32运行sd卡里的程序?

要让 STM32 运行 SD 卡里的程序，这通常意味着我们希望 STM32 能够从 SD 卡中加载并执行一段预先编译好的代码。这可以应用于多种场景，比如：

固件更新 (OTA/FOTA): 通过 SD 卡来更新 STM32 的应用程序固件。
Bootloader: 在主应用程序崩溃或需要更新时，由一个驻留在 Flash 中的简易 Bootloader 来负责从 SD 卡加载新的固件。
分模块化程序: 将不同的功能模块存储在 SD 卡上，STM32 根据需要动态加载和执行。

实现这个目标的核心在于 文件系统和执行环境的适配。下面我将从几个关键方面来详细阐述如何实现这一过程，尽量做到通俗易懂，避免生硬的 AI 风格。

1. 硬件准备与连接

首先，你需要一块支持 SD 卡读写的 STM32 开发板，并且板子上已经集成了 SD 卡槽或者预留了 SD 卡接口的引脚。

STM32 MCU: 选择一款带 SDIO (Secure Digital Input/Output) 接口的 STM32 微控制器是最佳选择，因为 SDIO 接口提供了专门用于 SD 卡通信的高速并行总线，效率远高于通过 GPIO 模拟 SPI 通信。常见的系列如 STM32F4, STM32F7, STM32H7 等都集成了 SDIO 接口。如果你的 STM32 没有 SDIO 接口，也可以通过 SPI 接口来操作 SD 卡，但这会显著降低数据传输速率。
SD 卡槽: 将 SD 卡槽正确地连接到 STM32 MCU 的 SDIO 或 SPI 引脚上。务必仔细查阅你所使用 STM32 开发板的原理图，确保连接的准确性。SD 卡接口通常包含以下引脚：
CMD (Command): 命令和响应的总线。
DAT0 DAT7 (Data): 数据传输总线。SDIO 模式下可以使用 1 线、4 线或 8 线模式，而 SPI 模式则只用到 MOSI, MISO, SCK 这几个引脚（有时还会用到 CS）。
CLK (Clock): 时钟信号。
CD/WP (Card Detect/Write Protect): 用于检测 SD 卡是否插入以及写保护功能。这些引脚可以连接到 STM32 的 GPIO，用于软件判断。

2. 软件栈：文件系统和 SD 卡驱动

要让 STM32 能够读懂 SD 卡上的文件，我们需要引入文件系统支持。最常用的文件系统是 FATFS。

FATFS 移植: FATFS 是一个通用的 FAT 文件系统库，专为嵌入式系统设计，具有资源占用小、移植方便的优点。你需要将 FATFS 库移植到你的 STM32 项目中。
获取 FATFS: 你可以从 ChaN 的官方网站 (elmchan.org) 下载 FATFS 的源代码。
集成到你的工程: 将 FATFS 的源代码文件（通常是 `ff.c` 和 `ff.h`）添加到你的 Keil, STM32CubeIDE 或其他 IDE 的工程中。
配置 FATFS: FATFS 的配置主要通过 `ffconf.h` 文件来完成。你需要根据你的项目需求进行配置，例如：
`_USE_MKFS`: 是否支持创建文件系统。
`_USE_LFN`: 是否支持长文件名。
`_MAX_SS`: 扇区大小。
`_FS_RPATH`: 是否支持相对路径。
最重要的配置是 `diskio.c` 和 `diskio.h` 文件。 这是 FATFS 与底层 SD 卡驱动（或你自己的存储介质驱动）之间的桥梁。

SD 卡底层驱动 (Disk I/O Driver): `diskio.c` 文件是 FATFS 访问 SD 卡的关键。你需要在这里实现 FATFS 提供的六个必要的函数：
`DSTATUS disk_initialize (BYTE pdrv)`: 初始化 SD 卡。在这里，你需要配置 SDIO 或 SPI 接口，发送 SD 卡初始化命令（如 `CMD0`, `CMD8`, `ACMD41`, `CMD55` 等），等待 SD 卡进入就绪状态。
`DSTATUS disk_status (BYTE pdrv)`: 获取 SD 卡的状态，检查是否有错误。
`DRESULT disk_read (BYTE pdrv, BYTE buff, DWORD sector, UINT count)`: 从 SD 卡读取指定扇区的数据到缓冲区。
`DRESULT disk_write (BYTE pdrv, const BYTE buff, DWORD sector, UINT count)`: 将缓冲区的数据写入到 SD 卡的指定扇区。
`DRESULT disk_ioctl (BYTE pdrv, BYTE cmd, void buff)`: 处理一些控制命令，例如获取卡信息（容量、扇区大小等），或者格式化等。

实现 `diskio.c` 的具体细节会非常依赖于你使用的 STM32 芯片的 SDIO 或 SPI 外设。
使用 STM32CubeMX/HAL 库: 这是最推荐的方式。如果你使用 STM32CubeMX 生成工程代码，它会为你提供 SDIO 或 SPI 的初始化和驱动代码（通过 HAL 库）。你需要做的就是在 `diskio.c` 中调用这些 HAL 库函数来完成对 SD 卡的读写操作。
例如，使用 HAL 库操作 SDIO 时，你可能会用到 `HAL_SD_Init()`, `HAL_SD_ReadBlocks()`, `HAL_SD_WriteBlocks()` 等函数。
使用 HAL 库操作 SPI 时，你可能会用到 `HAL_SPI_TransmitReceive()` 等函数。
直接操作寄存器: 如果你想完全控制，也可以不依赖 HAL 库，直接通过操作 STM32 的 SDIO 或 SPI 寄存器来驱动 SD 卡。这种方式更底层，但移植性和维护性也更差。

3. 从 SD 卡加载并执行程序

这一步是将从 SD 卡读取到的程序数据，以一种可执行的方式加载到 STM32 的内存中并运行。这通常有几种策略：

策略一：直接在 RAM 中执行 (RAM Disk / Executable on RAM)

这是最常见且相对简单的方式，特别适合用于固件更新或 Bootloader。

1. 将程序存储在 SD 卡上: 你需要将 STM32 的应用程序（已经编译成可执行文件，例如 `.bin` 文件）复制到 SD 卡的根目录或者一个特定文件夹下。确保文件格式是 STM32 可以直接执行的二进制格式。
2. Bootloader 加载:
STM32 首先运行一个驻留在 Flash 中的 Bootloader。
Bootloader 初始化 SD 卡和文件系统（FATFS）。
Bootloader 在 SD 卡上找到目标应用程序文件（例如，通过文件名搜索或固定路径）。
将整个应用程序二进制文件从 SD 卡读取到 STM32 的 RAM 中。 这需要你的 RAM 容量足够大，能够容纳整个程序。你需要一个大小合适的内存区域来存放这个程序。
跳转执行: 一旦程序被完整地加载到 RAM 中，Bootloader 会设置程序入口点（程序头中的向量表偏移量），然后通过 `__set_MSP()` (设置主堆栈指针) 和 `__set_CONTROL()` (设置线程模式，通常是进程/线程模式) 等函数来切换到新加载的程序环境，最后使用 `((void ()(void))ram_address)()` 的方式跳转到新程序的入口地址执行。

关键点:

RAM 分配: 需要为加载的程序分配一个足够大的 RAM 区域。这通常是通过链接脚本（Linker Script）来配置的。你可以定义一个 `.bss` 或 `.data` 段在 RAM 的起始位置，用于存放加载的程序。
程序入口点: 你需要知道要加载的程序在 RAM 中的入口点在哪里。通常，这会包含在程序的文件头中（例如 ELF 文件格式），或者你可以将其约定好（比如加载程序后，其入口点就是 RAM 区域的起始地址）。
堆栈指针: 加载的程序需要一个有效的堆栈指针（MSP 和 PSP）。Bootloader 在跳转前，需要将新程序的堆栈指针设置到其指定的 RAM 地址。
异常向量表: 新加载的程序通常有自己的异常向量表。在跳转之前，需要将 STM32 的主向量表指针（VTOR）指向新程序在 RAM 中的向量表。

策略二：通过内存映射直接执行 (ExecuteinPlace, XIP)

这种策略通常用于从外部 Flash（如 SPI Flash）或 SD 卡的某个区域直接执行代码，而不需要将整个程序加载到 RAM。然而，对于 SD 卡来说，由于其随机访问性能通常不如 SPI Flash，且文件系统本身的开销，直接从 SD 卡执行通常不太常见，也可能效率不高。

文件系统限制: FATFS 文件系统本身是面向块设备操作的，它并没有直接支持 XIP 模式。如果你想实现 XIP，你需要绕过标准的文件系统读取接口，直接从 SD 卡的特定扇区读取指令和数据。
内存映射: 需要将 SD 卡的某个区域映射到 STM32 的内存地址空间。大多数 STM32 MCU 本身不支持直接将外部设备（如 SD 卡）的任意区域内存映射到其内部的执行空间。
特殊硬件支持: 某些更高级的处理器或特定的片上系统可能支持将外部存储器映射到地址空间，从而实现 XIP。对于标准的 STM32，这通常难以直接实现。

因此，对于从 SD 卡运行程序，策略一（RAM Disk/Executable on RAM）是更可行、更主流的实现方式。

4. 程序准备与打包

要让你的程序能够从 SD 卡加载和执行，你需要进行一些特殊的准备：

编译选项:
重定位: 你的应用程序必须是可重定位的。这意味着它不能硬编码任何绝对内存地址。通常，在链接脚本（`.ld` 文件）中，你需要将程序设置为从一个特定的虚拟地址开始加载（例如，你在 RAM 中分配的区域的起始地址）。
链接脚本调整: 你的应用程序的链接脚本需要修改，将代码段（`.text`）、数据段（`.data`）等放置在你计划加载到的 RAM 地址范围内。同时，你需要确保向量表也被放置在 RAM 的起始位置，以便能够设置 VTOR。
调试信息: 在开发阶段，保留调试信息有助于你理解程序跳转和执行的问题。
打包工具:
二进制文件: 通常，你需要将编译好的应用程序（例如 `.elf` 文件）转换为纯粹的二进制文件（`.bin`）。这是因为 FATFS 直接读取的是字节流，更易于处理。你可以使用 `objcopy` 等工具来完成转换。
添加头部信息 (可选但推荐): 为了方便 Bootloader 查找和加载，你可以在应用程序二进制文件前添加一些元信息，例如：
魔术字 (Magic Number): 用来标识这是一个有效的应用程序。
文件长度: 应用程序的大小。
CRC校验值: 用于验证程序文件在传输过程中是否损坏。
入口点地址: 程序在 RAM 中的入口点地址。
堆栈起始地址: 程序所需的初始堆栈指针。
你可以编写一个简单的工具（PC 端程序）来完成这个打包过程。

5. 实现流程示例 (Bootloader 场景)

假设你有一个简单的 Bootloader 来从 SD 卡加载主应用程序：

1. Bootloader 启动: STM32 上电后，首先执行存储在 Flash 中的 Bootloader。
2. 初始化 SD 卡: Bootloader 初始化 SDIO/SPI 接口，并调用 `disk_initialize()` 来初始化 SD 卡。
3. 搜索应用程序文件: Bootloader 在 SD 卡上查找预先定义的应用程序文件（例如 `app.bin`）。可以使用 `f_open()`, `f_read()`, `f_stat()` 等 FATFS 函数。
4. 读取应用程序到 RAM:
确定应用程序文件的大小。
在 RAM 中分配一个足够大的缓冲区（例如 `uint8_t app_buffer[APP_MAX_SIZE];`）。
使用 `f_read()` 将整个 `app.bin` 文件读取到 `app_buffer` 中。
可选： 验证文件的 CRC 校验值。
5. 准备执行环境:
设置堆栈指针: 如果应用程序二进制文件中有包含堆栈起始地址的信息，读取并使用 `__set_MSP()` 设置主堆栈指针。如果没有，可以设置为 RAM 区域的末尾。
设置向量表: 如果应用程序有自己的向量表，将其复制到 RAM 的起始位置（例如 `0x20000000`，具体取决于你的 RAM 地址），然后设置 `VTOR` 寄存器指向这个新的向量表地址。例如：`SCB>VTOR = (uint32_t)app_buffer;` (假设 `app_buffer` 就是 RAM 中的程序起始位置，并且包含了向量表)。
6. 跳转执行:
获取应用程序在 RAM 中的入口地址。如果你的打包程序将入口地址信息放在文件头，则读取该信息。或者，如果你的链接脚本将入口点定在 RAM 的起始处，可以直接使用 `(void ()(void))app_buffer`。
执行跳转：
```c
// 假设 app_buffer 指向 RAM 中的程序入口
void (app_entry_point)(void);
app_entry_point = (void ()(void))app_buffer;
app_entry_point();
```
注意: 直接这样跳转可能会丢失 Bootloader 的上下文。更严谨的做法是：
```c
void jump_to_application(uint32_t app_base_addr) {
// 1. 设置主堆栈指针 (MSP)
__set_MSP((volatile uint32_t )app_base_addr);

// 2. 设置向量表偏移量 (VTOR) 假设应用程序的向量表就在其起始地址
SCB>VTOR = app_base_addr;

// 3. 获取应用程序的入口点 (通常是向量表中的 Reset handler)
uint32_t app_entry = (volatile uint32_t )(app_base_addr + 4); // Reset handler is at offset 4

// 4. 跳转到应用程序入口
((void ()(void))app_entry)();
}

// 在 Bootloader 中调用
jump_to_application((uint32_t)app_buffer);
```

6. 调试技巧

分步验证: 逐步调试 SD 卡的初始化过程，确认 SD 卡是否被正确识别。
文件系统测试: 先编写一个简单的程序，只测试文件系统的读写功能，确保 FATFS 和你的 `diskio.c` 工作正常。例如，在 SD 卡上创建一个文件并写入一些数据，然后再读取出来校验。
二进制文件检查: 使用十六进制编辑器查看 SD 卡上的应用程序二进制文件，确认其内容与编译输出一致。
内存查看: 在程序加载到 RAM 后，使用调试器查看 RAM 中的代码和数据，确认加载是否完整和正确。
错误处理: 在 `diskio.c` 和 FATFS 的调用中，充分处理各种返回的错误码，这有助于定位问题。

总结

从 SD 卡运行程序，本质上是利用 STM32 的外设（SDIO/SPI）读取 SD 卡上的文件数据，然后通过文件系统（FATFS）进行解析，最后将可执行的代码片段加载到 RAM 中，并跳转执行。这个过程需要对 STM32 的硬件接口、嵌入式操作系统概念（Bootloader、内存管理）以及程序链接过程有一定的理解。

关键在于 可靠的 SD 卡驱动（配合 HAL 库或直接寄存器操作），正确的 FATFS 配置和移植，以及 为加载程序准备好合适的内存环境和执行入口。

希望以上的详细阐述能够帮助你理解并实现从 STM32 运行 SD 卡中的程序。祝你开发顺利！

stm32跑个micropython或者lua解释器，然后把你的py或lua放sd卡就行了呗

实际上好些智能xx套件之类都是这么搞的吧

二进制放sd卡就算了，就算跑起来也得慢死